Однак, якщо традиційні методи включають змішування тисяч генів, то генетична модифікація дозволяє додавати один, окремий ген або невелику кількість генів до генетичної структури рослини чи тварини, і це тягне за собою ті чи інші зміни. За допомогою генетичної модифікації, гени можна „ввімкнути” чи „вимкнути”, міняючи у такий спосіб процес розвитку рослини чи тварини.
Наприклад, гербіциди використовуються для знищення бур'яну на полях, де вирощують сільськогосподарські культури, однак вони можуть зашкодити росту культур, які мають захищати. Використовуючи генетичну модифікацію, ген із окремою властивістю, такою як стійкість до конкретного гербіциду, можна ввести до культурної рослини.
В такому разі гербіцид, яким обприскують поля з метою знищення бур'яну, не перешкоджатиме росту культурних рослин.
В свою чергу, генетичну модифікацію можна використовувати для зменшення кількості внесення пестицидів - відповідні зміни ДНК рослини збільшать її опір шкідникам, певним сільськогосподарським культурам.
З іншого боку, генетична модифікація використовується для того, аби зміцнити імунітет рослини до вірусів або поліпшити її поживну цінність. Це стосується передусім, тварин, яких вирощують задля м'яса, генетична модифікація може потенційно підвищити такі показники, як швидкість росту та кінцевий розмір тварини.
У клітинах еукаріотів (наприклад, тварин, рослин або грибів) ДНК знаходиться в ядрі клітини в складі хромосом, а також в деяких клітинних органелах (мітохондріях і пластидах). У клітинах прокаріотів (бактерій і архей) кільцева або лінійна молекула ДНК, так званий нуклеоїд, знаходиться в цитоплазмі і прикріплена зсередини до клітинної мембрани. У них і у нижчих еукаріот (наприклад дріжджів) зустрічаються також невеликі автономні кільцеві молекули ДНК, так звані плазміди. Крім того, одно- або дволанцюжкові молекули ДНК можуть утворювати геном ДНК-вірусів.
З хімічної точки зору, ДНК — це довга полімерна молекула, що складається з послідовності блоків — нуклеотидів. Кожний нуклеотид складається з азотистої основи, цукру (дезоксирибози) і фосфатної групи. Зв'язки між нуклеотидами в ланцюжку утворюються за рахунок дезоксирибози і фосфатної групи. У переважній більшості випадків (окрім деяких вірусів, що містять одноланцюжкові ДНК) макромолекула ДНК складається з двох ланцюжків, орієнтованих азотистими основами один проти одного. Ця дволанцюжкова молекула утворює спіраль. В цілому структура молекули ДНК отримала назву «подвійної спіралі».
Історична довідка. Кінець 17 ст. Перший детальний опис клітини та структури і функції рослин. У Нідерландах починають систематично розводити квіти. Описана статева основа розмноження рослин, що пояснює, як можуть схрещуватись різні роди культур у процесі створення нових типів.
1719 р. Томасу Фейерчайлдові (Thomas Fairchild) вдалося вперше отримати штучний гібрид рослини, схрестивши звичайну гвоздику з турецькою.
Генетична модифікація передбачає вбудову або зміну генів організму, наслідком чого стає поява потрібної ознаки.
Коли одна рослина, наприклад, модифікується шляхом вбудовування в неї гена з іншої, то процес має такий вигляд:
1 Визначається рослина, що має бажану властивість.
2 В ДНК цієї рослини відшукується, а відтак вирізається специфічний ген, який відповідає за виникнення цієї властивості.
3 Щоб вставити ген у клітини рослини, яка модифікується, його слід приєднати до носія. Частинка бактеріальної ДНК, яка називається плазмідою, з'єднується з геном і надалі виступатиме у ролі носія.
4 До гена і плазміди приєднується ще одна послідовність нуклеотидів, своєрідний перемикач, який зветься „промотором” (активатором). З його допомогою можна впевнитись у тому, що вже вбудований у рослину ген працює належним чином. Лише невелика кількість клітин у рослині, що модифікується, насправді прийме новий ген. Крім цього, генний комплект містить ген-маркер, що визначає клітини, втручання до генного складу яких мало позитивні наслідки.
5 Після цього генний комплект вводять у бактерію, яка може репродукуватись (розмножуватись), створюючи багато копій генного комплекту.
6 Потім генетичний комплект переносять (трансформують) до рослини, що модифікується. Зазвичай це робиться в один із двох способів:
а) генетичні комплекти приєднуються до крихітних частинок золота або вольфраму, а потім їх вистрілюють з великою швидкістю в шматочок тканини рослини. Золото або вольфрам використовують тому, що вони хімічно інертні, іншими словами, вони не вступатимуть у реакцію із середовищем;
б) ґрунтова бактерія під назвою Agrobacterium tumefaciens використовується для того, аби генний комплект потрапив до рослини, коли ця бактерія проникає в рослинну тканину. Генні комплекти вводять до Agrobacterium tumefaciens, змінюючи їх так, аби дані бактерії не активізувалися, потрапивши до нової рослини.
7 Рослинна тканина, до якої були введені генні комплекти, вирощується у повнорозмірну ГМ рослину.
8 Ретельна перевірка ГМ рослин допомагає виявити, чи належним чином працюють нові гени. Це робиться наступним шляхом: вирощують цілі рослини, отримують з них насіння, потім посіявши його і знову виростивши рослини, перевіряють, чи є в них вбудований ген. Ця процедура повторюється кілька разів.
1.1.6 Історичний розвиток змінювання генів
1727 р. Компанія „Вілморін” („Vilmorin”), розташована у Франції, розробляє генеалогічний метод розведення цукрових буряків і починає дослідження в галузі селекції рослин і вдосконалення культурних видів.
1750 - 1850 pp. Європейські фермери розширюють культивування бобових (аби закріпити азот у ґрунті) та висівають культури по черзі (сівозміна) з метою збільшити врожай.
1761-66 pp. Йозеф Кьольройтер (Joseph Kolreuter) використовує рослини тютюну для проведення перших систематичних експериментів зі схрещування видів. Він зазначає, що отримані в результаті цього гібриди рослин часто ростуть швидше за своїх батьків.
1819 р. Патрік Ширеф (Patrick Shirreff) починає виводити пшеницю й овес з метою створення нових сортів рослин і вивчення відмінностіей між ними.
1823 р. Томас Найт (Thomas Knight (1759-1838 pp.)) підтверджує існування домінантних та рецесивних ознак в горосі. Він продовжує працювати над створенням нових гібридів фруктових та овочевих культур, вирощуванню яких англійці надають перевагу.
Початок 40-х pp. XIX ст. Компанія „Саттон і син” (зараз „Саттонз сідз”/ „Suttons Seeds”) розводить сорти буряків, гороху та картоплі, придатні для вирощування у Великобританії.
50-і pp. XIX ст. З'являються промислово створені тваринний корм та неорганічні добрива.
1865 р. Грегор Мендель (Gregor Mendel) презентує лекцію на тему своєї роботи - дослідивши розвиток рослин гороху, він вивів схему успадкованих ознак. Лекція Менделя була опублікована наступного року.
1884-88 pp. Оскар Хертвіг (Oscar Hertwig), Едуард Страсбергер (Eduard Strasberger), Альбрект фон Коллікер (Albrect von Kolliker) та Август Вайсманн (August Weismann) незалежно один від одного висунули припущення, що клітинне ядро несе інформацію, необхідну для успадкування ознак.
Селекціонери рослин користуються багатьма методами для виведення сортів рослин із певними властивостями. Серед них - традиційна селекція культур, а також застосування хімікатів та опромінення, яке набуло популярності останнім часом.
Традиційний метод схрещування для отримання гібридів рослин використовувався багатьма поколіннями. Він передбачає цілу низку схрещувань для виведення різних комбінацій рослин, з метою закріплення і розвитку бажаних ознак та викорінення небажаних. Однак, цей метод має свої вади, оскільки в процесі селекції губиться велика кількість генетичного матеріалу, не потрапляючи до сортів рослин. Через це важче отримати специфічні ознаки і, разом з тим, не занести до рослин небажані ознаки, такі як вразливість до хвороб.
Доки не були розроблені методи точної генетичної модифікації, селекціонери рослин використовували різноманітні методи, намагаючись викликати корисні генетичні зміни, які не могли з'явитися природним шляхом.
Так, одним із методів, які набули поширення у період після Другої світової війни (він отримав назву „ядерне століття”), було використання опромінення з метою змінення генів с/г культур та садових рослин. Сорт рису „Калроуз 76” був виведений із використанням гамма-опромінення, внаслідок чого до бажаних розмірів зменшилась висота стеблини, а сорт „Аламо-Ікс” завдячує свою появу рентгенівському опроміненню, і його представники мають більшу стійкість до хвороб, аніж попередники.
Шляхом використання гамма-опроміненню був виведений і різновид ячменю під назвою „Золота обіцянка” („Golden Promise”). Гамма-опромінення спричинило генетичні зміни у структурі певного різновиду ячменю, який виростав коротшим, давав високі врожаї та мав гарні властивості, значення яких могли гідно оцінити броварі. Вперше проданий у 1966 році, сорт „Золота обіцянка” став основним сортом ячменю, який вирощували в Шотландії у 70-і і 80-і pp. минулого століття.
Для внесення змін у гени рослин використовувались і хімікати, такі як оксид натрію та етил-метилсульфат. У 70-і pp. минулого століття цей метод виведення рослин був особливо популярним у Сполучених Штатах Америки. Проте і зараз деякі нові сорти створюють за допомогою хімікатів або опромінення, передусім, в країнах, які розвиваються. Проте ці методи вимагають багато часу для отримання бажаних результатів, оскільки генетичні зміни, до яких вони спричиняють, мають випадковий характер. Фактично, більшість генетичних змін, отриманих цими методами, не становлять користі для селекціонерів рослин. Натомість, технологія генетичної модифікації дає конкретні зміни. 90-i pp. XIX ст. Вільям Фаррер (William Farrer) керує масштабною програмою з селекції пшениці в Австралії, відбираючи рослини за ознакою стійкості до хвороб і роблячи акцент на шкідливих наслідках.